钢—混凝土混合梁结合段受力性能与设计参数研究
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摘要
钢-混凝土混合梁作为一种复合结构型式，是混凝土梁和钢梁在纵向恰当的位置利用钢-混凝土结合段接头构造连接成整体的结构体系。钢-混凝土结合段是混合梁的关键部位，决定着混合梁设计的成败。随着混合结构的广泛应用，钢-混凝土结合段设计问题越来越成为工程领域研究的新热点。因此，进行结合段受力性能和设计参数研究，对推进混合结构技术发展有着积极的现实意义。
本文依托陕西某高速公路渭河特大桥设计与优化，针对钢-混凝土混合梁结合段受力性能与设计参数的问题，介绍钢-混凝土结合段的构造组成、基本类型、工程特点和应用情况，阐述结合段整体设计中合理位置和合理构造的选择与确定，研究结合段的传力机理、变形特性和受力性能并提出设计建议，探讨各种连接措施的受力性能和工程特点，分析开孔钢板连接件受力性能并提出相关设计参数，依托实体工程说明结合段整体设计思路、方法和过程并进行设计分析。
1.研究结合段的整体设计。结合段位置的合理确定可综合考虑受力、造价和施工等三个因素，采用定性评价和定量评价相结合的关键要素评价法；结合段构造的合理确定的基本准则是结构破坏不首先出现在结合段，截面形心应保持一致，各部件在结构承载过程中处于正常工作状态。本文系统地提出结合段整体设计的概念、原则和方法，是论文的一个创新点。
2.研究结合段的受力性能。结合段能够传递混合梁内力，但应增大刚度以利于连接件受力并减小结合面相对位移；轴向拉伸是结合段的不利受力条件，故应使结合段处于预压状态；连接构造应均匀对称布置，应采用空间有限元法分析计算；结合段应力传递总体较为连续均衡，但存在局部应力突变；结合段变形连续顺畅，说明刚度过渡合理平顺。结合段传力机理和变形特性的分析及结论，是论文的又一个创新点。
3.研究各种连接方式的构造特点、受力性能和使用性能。焊钉和开孔钢板（PBL）连接件在构造、受力和施工等方面均具有明显优势，纵向预应力连接方式也是一种广泛应用的连接措施，结合段连接构造主要是这三种连接方式的组合。开孔钢板连接件孔内混凝土榫柱的嵌锁作用决定它的连接效果，因其作用范围长、可靠性好而应在工程中优先采用。
4.研究PBL连接件的设计参数。采用空间有限元法分析各种因素对连接件应力分布、应力集中和位移变形规律的影响，提出连接件钢板厚度、开孔直径、开孔位置和间距以及长度等设计参数，给出顶底板设置、端部几何形状的设计要点，指出“强化端部连接，简化中间构造，细化边角部位”的连接件构造设计优化原则。PBL连接件影响因素分析和设计参数建议，也是论文的又一个创新点。
5.创新提出两种新型PBL连接件。根据PBL连接件受力性能和设计参数研究成果，进一步创新提出梯形和U形开孔钢板等两种连接件，与矩形开孔钢板连接件相比受力性能明显改善，大大降低构件集中应力值，达到构造优化的目的。两种新型连接件可供工程设计参考应用，是论文的另一个创新点。
6.总结结合段设计思路与分析方法。阐明论文研究在依托工程中的应用，通过桥梁整体计算分析、结合段局部受力分析、结合段工作状态分析等几个方面，介绍结合段设计计算的思路、过程、方法。计算分析和实测结果表明，结合段应力均衡、变形连续，满足设计要求，说明设计合理可靠。
As a type of hybrid structures, the steel-concrete mixed beams are systems that usingsteel-concrete combined sections contact concrete beams and steel beams with joint structuresat proper position in vertical. The steel-concrete combined sections are key parts of mixedbeams, and determine the success or failure of structural design. So that, with wider use ofhybrid structures, the problem of design on steel-concrete combined sections is becoming newfocus of research in the field of engineering. And then, the research on behavior and designparameters of combined sections has a positive significance for promoting technologicaldevelopment of hybrid structures.
In this paper, relaying on the design and optimization for mixed beam combined sectionof Weihe Bridge, the mechanical performance and design parameters of steel-concrete sectionwere studied. This thesis introduced the composition, type, feature and application ofsteel-concrete combined section; explained the selecting and determining method forreasonable location and structure in the course of steel-concrete combined section overalldesign; studied on the load transmission mechanism, deformation characteristics andmechanical performance of combined section; discussed about the mechanical performanceand engineering features of various connectors; put forward some design parametersaccording to analysis on the mechanical behavior of Perfobond Leiste（PBL）connector;illustrated the overall design ideas, methods and processes on the base of real bridge designand analysis.
1. Research on overall design of combined section. It pointed out that the reasonablelocation should consider about the load-carrying, cost and construction comprehensively withthe key elements evaluation method that combined qualitative evaluation with quantitativeevaluation. It also pointed out that the basic guideline of reasonable structure is the damagedoes not result in combined sections which should be in normal working condition during thestructure bearing loads. That was the first innovative point of this paper.
2. Research on mechanical performance of combined section. Combined section couldtransfer internal forces, but should increase stiffness for being good for connector andreducing relative displacement; axial tensile was the adverse force condition to combinedsection, so it should be in preloading state; connectors should be symmetrical arranged, andshould be analyzed using Spatial Finite Element Method. That the analysis and conclusions on the load transmission mechanism and deformation characteristics of combined section, wasthe second innovation point of this paper.
3. Research on structure characteristics, mechanical and application performance ofvarious connectors. The welding screw and Perfobond Leiste（PBL）connector had obviousadvantages comparing with other connectors, and the longitudinal prestress was a widely usedconnection measure. The joint effect of PBL connector was determined by the embedded rolebetween concrete columns and steel-plate openings, and the PBL connector should bepreferred in civil engineering for its better ability of force transferring and reliability.
4. Research on design parameters of PBL connector. This thesis studied particularly themechanical performance of the PBL connector using Spatial Finite Element Method, whichanalyzed every factor’s influence on the laws of stress distribution, stress concentration anddeformation. The thesis systematically put forward design parameters of PBL connector suchas the plate thickness, holes diameter, opened location and connection length, also point outthe basic principle and key points of design optimization for connector such as “strengthenedend-part, simplified middle-part and refined corner-part”. That was the third innovation pointof this paper.
5. Proposed two kinds of new PBL connectors creatively. This thesis creatively came upwith the trapezoid and U-shaped PBL connector on the basis of research on rectangle PBLconnector. The results of FEM numerical calculation indicated the obvious improvement forstructural optimization. These studies have offered reference to further development andapplication of new connectors. That was the fourth innovation point of this paper.
6. Summarized design thoughts and analysis method for combined section. It clarifiedthe application of research results to the project, and illustrated the ideas, processes andmethods about overall design, structural choosing, design optimum, mechanical analysis forsteel-concrete combined section by taking Weihe Bridge as an example. The numericalcalculation results showed that the design met the requirements and the structure wasfeasible.
本文依托陕西某高速公路渭河特大桥设计与优化，针对钢-混凝土混合梁结合段受力性能与设计参数的问题，介绍钢-混凝土结合段的构造组成、基本类型、工程特点和应用情况，阐述结合段整体设计中合理位置和合理构造的选择与确定，研究结合段的传力机理、变形特性和受力性能并提出设计建议，探讨各种连接措施的受力性能和工程特点，分析开孔钢板连接件受力性能并提出相关设计参数，依托实体工程说明结合段整体设计思路、方法和过程并进行设计分析。
1.研究结合段的整体设计。结合段位置的合理确定可综合考虑受力、造价和施工等三个因素，采用定性评价和定量评价相结合的关键要素评价法；结合段构造的合理确定的基本准则是结构破坏不首先出现在结合段，截面形心应保持一致，各部件在结构承载过程中处于正常工作状态。本文系统地提出结合段整体设计的概念、原则和方法，是论文的一个创新点。
2.研究结合段的受力性能。结合段能够传递混合梁内力，但应增大刚度以利于连接件受力并减小结合面相对位移；轴向拉伸是结合段的不利受力条件，故应使结合段处于预压状态；连接构造应均匀对称布置，应采用空间有限元法分析计算；结合段应力传递总体较为连续均衡，但存在局部应力突变；结合段变形连续顺畅，说明刚度过渡合理平顺。结合段传力机理和变形特性的分析及结论，是论文的又一个创新点。
3.研究各种连接方式的构造特点、受力性能和使用性能。焊钉和开孔钢板（PBL）连接件在构造、受力和施工等方面均具有明显优势，纵向预应力连接方式也是一种广泛应用的连接措施，结合段连接构造主要是这三种连接方式的组合。开孔钢板连接件孔内混凝土榫柱的嵌锁作用决定它的连接效果，因其作用范围长、可靠性好而应在工程中优先采用。
4.研究PBL连接件的设计参数。采用空间有限元法分析各种因素对连接件应力分布、应力集中和位移变形规律的影响，提出连接件钢板厚度、开孔直径、开孔位置和间距以及长度等设计参数，给出顶底板设置、端部几何形状的设计要点，指出“强化端部连接，简化中间构造，细化边角部位”的连接件构造设计优化原则。PBL连接件影响因素分析和设计参数建议，也是论文的又一个创新点。
5.创新提出两种新型PBL连接件。根据PBL连接件受力性能和设计参数研究成果，进一步创新提出梯形和U形开孔钢板等两种连接件，与矩形开孔钢板连接件相比受力性能明显改善，大大降低构件集中应力值，达到构造优化的目的。两种新型连接件可供工程设计参考应用，是论文的另一个创新点。
6.总结结合段设计思路与分析方法。阐明论文研究在依托工程中的应用，通过桥梁整体计算分析、结合段局部受力分析、结合段工作状态分析等几个方面，介绍结合段设计计算的思路、过程、方法。计算分析和实测结果表明，结合段应力均衡、变形连续，满足设计要求，说明设计合理可靠。
As a type of hybrid structures, the steel-concrete mixed beams are systems that usingsteel-concrete combined sections contact concrete beams and steel beams with joint structuresat proper position in vertical. The steel-concrete combined sections are key parts of mixedbeams, and determine the success or failure of structural design. So that, with wider use ofhybrid structures, the problem of design on steel-concrete combined sections is becoming newfocus of research in the field of engineering. And then, the research on behavior and designparameters of combined sections has a positive significance for promoting technologicaldevelopment of hybrid structures.
In this paper, relaying on the design and optimization for mixed beam combined sectionof Weihe Bridge, the mechanical performance and design parameters of steel-concrete sectionwere studied. This thesis introduced the composition, type, feature and application ofsteel-concrete combined section; explained the selecting and determining method forreasonable location and structure in the course of steel-concrete combined section overalldesign; studied on the load transmission mechanism, deformation characteristics andmechanical performance of combined section; discussed about the mechanical performanceand engineering features of various connectors; put forward some design parametersaccording to analysis on the mechanical behavior of Perfobond Leiste（PBL）connector;illustrated the overall design ideas, methods and processes on the base of real bridge designand analysis.
1. Research on overall design of combined section. It pointed out that the reasonablelocation should consider about the load-carrying, cost and construction comprehensively withthe key elements evaluation method that combined qualitative evaluation with quantitativeevaluation. It also pointed out that the basic guideline of reasonable structure is the damagedoes not result in combined sections which should be in normal working condition during thestructure bearing loads. That was the first innovative point of this paper.
2. Research on mechanical performance of combined section. Combined section couldtransfer internal forces, but should increase stiffness for being good for connector andreducing relative displacement; axial tensile was the adverse force condition to combinedsection, so it should be in preloading state; connectors should be symmetrical arranged, andshould be analyzed using Spatial Finite Element Method. That the analysis and conclusions on the load transmission mechanism and deformation characteristics of combined section, wasthe second innovation point of this paper.
3. Research on structure characteristics, mechanical and application performance ofvarious connectors. The welding screw and Perfobond Leiste（PBL）connector had obviousadvantages comparing with other connectors, and the longitudinal prestress was a widely usedconnection measure. The joint effect of PBL connector was determined by the embedded rolebetween concrete columns and steel-plate openings, and the PBL connector should bepreferred in civil engineering for its better ability of force transferring and reliability.
4. Research on design parameters of PBL connector. This thesis studied particularly themechanical performance of the PBL connector using Spatial Finite Element Method, whichanalyzed every factor’s influence on the laws of stress distribution, stress concentration anddeformation. The thesis systematically put forward design parameters of PBL connector suchas the plate thickness, holes diameter, opened location and connection length, also point outthe basic principle and key points of design optimization for connector such as “strengthenedend-part, simplified middle-part and refined corner-part”. That was the third innovation pointof this paper.
5. Proposed two kinds of new PBL connectors creatively. This thesis creatively came upwith the trapezoid and U-shaped PBL connector on the basis of research on rectangle PBLconnector. The results of FEM numerical calculation indicated the obvious improvement forstructural optimization. These studies have offered reference to further development andapplication of new connectors. That was the fourth innovation point of this paper.
6. Summarized design thoughts and analysis method for combined section. It clarifiedthe application of research results to the project, and illustrated the ideas, processes andmethods about overall design, structural choosing, design optimum, mechanical analysis forsteel-concrete combined section by taking Weihe Bridge as an example. The numericalcalculation results showed that the design met the requirements and the structure wasfeasible.
引文
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